انتشار الموجة الأرضية واتصالات النيازك

انتشار الموجة الأرضية مهم بشكل خاص في الجزء (LF) و(MF) من الطيف الراديوي حيث يستخدم الانتشار الراديوي للموجة الأرضية لتوفير تغطية اتصالات لاسلكية محلية نسبياً، ولا سيما من خلال محطات البث الإذاعي التي تتطلب تغطية منطقة معينة.

ما هو انتشار الموجة الأرضية – Ground Wave Propagation؟

انتشار الموجة الأرضية (Ground Wave Propagation): هو شكل من أشكال انتشار الإشارة حيث تنتقل الإشارة فوق سطح الأرض، ونتيجة لذلك تُستخدم لتوفير تغطية إقليمية على نطاقات الموجات الطويلة والمتوسطة.

يُعد انتشار إشارة الموجة الأرضية الراديوية مثالياً للانتشار على مسافة قصيرة نسبياً على هذه الترددات أثناء النهار حيث لا يمكن انتشار الموجات الأيونوسفيرية أثناء النهار بسبب توهين الإشارات على هذه الترددات التي تسببها المنطقة (D) في طبقة الأيونوسفير، كما تحتاج محطات الاتصالات اللاسلكية إلى الاعتماد على انتشار الموجة الأرضية لتحقيق تغطيتها.

تتكون الإشارة الراديوية للموجة الأرضية من عدد من المكونات، وإذا كانت الهوائيات في خط الرؤية فستكون هناك موجة مباشرة بالإضافة إلى إشارة منعكسة، حيث إنّ الإشارة المباشرة هي إشارة تنتقل مباشرة بين الهوائيين ولا تتأثر بالموقع، كما يكون هناك أيضاً إشارة منعكسة حيث سينعكس الإرسال بواسطة عدد من الكائنات بما في ذلك سطح الأرض وأي تلال أو مباني كبيرة، كما قد يكون ذلك موجوداً.

بالإضافة إلى ذلك هناك موجة سطحية حيث يميل هذا إلى اتباع انحناء الأرض ويسمح بتحقيق التغطية خارج الأفق كما إنّه مجموع كل هذه المكونات المعروفة باسم الموجة الأرضية، أمّا وراء الأفق يتم حظر الموجات المباشرة والمنعكسة بانحناء الأرض، وتتكون الإشارة تماماً من الموجة السطحية المنعكسة ولهذا السبب يطلق على الموجة السطحية عادةً انتشار الموجة الأرضية.

الموجة السطحية – Surface wave:

تنتشر إشارة الراديو من جهاز الإرسال على طول سطح الأرض، وبدلاً من مجرد الانتقال في خط مستقيم  تميل إشارات الراديو إلى اتباع انحناء الأرض، وذلك لأنّ التيارات يتم تحفيزها على سطح الأرض وهذا الإجراء يبطئ جبهة الموجة في هذه المنطقة، ممّا يتسبب في إمالة مقدمة الموجة لإشارة الاتصالات اللاسلكية لأسفل نحو الأرض، أمّا مع إمالة مقدمة الموجة في هذا الاتجاه يمكنها الالتفاف حول الأرض واستقبالها بعيداً عن الأفق.

تأثير التردد على انتشار الموجة الأرضية:

عندما تنتقل واجهة الموجة الأرضية على طول سطح الأرض فإنّها تكون ضعيفة حيث أنّ درجة التوهين تعتمد على مجموعة متنوعة من العوامل، وتردد الإشارة الراديوية هو أحد العوامل المحددة الرئيسية حيث تزداد الخسائر مع زيادة التردد، ونتيجةً لذلك فإنّه يجعل هذا الشكل من الانتشار غير عملي فوق النهاية السفلية لجزء (HF) من الطيف (3 ميجا هيرتز).

عادةً ما تعاني الإشارة عند (3 ميجا هيرتز) من التوهين الذي قد يكون في منطقة (20 إلى 60 dB) أكثر من إشارة واحدة عند (0.5 ميجا هيرتز) اعتماداً على مجموعة متنوعة من العوامل في مسار الإشارة بما في ذلك المسافة، كما يمكن ملاحظة سبب إمكانية سماع محطات البث الإذاعي عالي التردد حتى أميال قليلة فقط من موقع الإرسال عبر الموجة الأرضية.

تأثير الأرض على انتشار الموجة الأرضية:

تعتمد الموجة السطحية بشكل كبير على طبيعة الأرض التي تنتقل عليها الإشارة حيث تؤثر موصلية الأرض وخشونة التضاريس وثابت العزل على توهين الإشارة، كما يختلف تغلغل الأرض ويصبح أكبر عند الترددات المنخفضة، وهذا يعني أنّ الموصلية السطحية ليست فقط موضع الاهتمام في الترددات الأعلى وهذا ليس ذا أهمية كبيرة، ولكن عند الترددات المنخفضة فإنّ الاختراق يعني أنّ طبقات الأرض التي تصل إلى (100 متر) قد يكون لها تأثير.

وجد أنّ التضاريس ذات الموصلية الجيدة تعطي أفضل نتيجة، وبالتالي فإنّ نوع التربة ومحتوى الرطوبة لهما أهمية حيث أنّ مياه البحر المالحة هي الأفضل والأراضي الزراعية الغنية أو المستنقعات جيدة أيضاً، كما تُعد التضاريس الرملية الجافة ومراكز المدن هي الأسوأ بكثير، وهذا يعني أنّ الممرات البحرية هي الأمثل على الرغم من أنّها تخضع للتغيرات بسبب خشونة البحر، ممّا يؤدي إلى اعتماد خسائر المسار بشكل طفيف على الطقس، ونظراً لاختراق الإشارة له تأثير فقد يكون لجدول المياه تأثير يعتمد على التردد المستخدم.

انتشار الاستقطاب والموجة الأرضية:

يؤثر نوع الهوائي واستقطابه تأثيراً كبيراً على انتشار الموجة الأرضية حيث يخضع الاستقطاب العمودي لتوهين أقل بكثير من الإشارات المستقطبة أفقياً، كما يمكن أن يصل الاختلاف إلى عدة عشرات من الديسيبل، ولهذا السبب تستخدم محطات بث الموجة المتوسطة هوائيات عمودية حتى لو كان يجب أن تكون قصيرة مادياً بإضافة تحميل حثي، وغالباً ما تستخدم السفن التي تستخدم النطاقات البحرية (MF) هوائيات (L) مقلوبة لأنّها قادرة على إشعاع نسبة كبيرة من الإشارة المستقطبة رأسياً.

في المسافات التي تكون عادةً باتجاه حافة منطقة تغطية الموجة الأرضية، قد تكون بعض إشارات الموجة الأيونوسفيرية موجودة خاصةً في الليل عندما يتم تقليل توهين الطبقة (D)، كما قد يعمل هذا على تعزيز أو إلغاء الإشارة الإجمالية ممّا يؤدي إلى أرقام تختلف عن تلك التي قد تكون متوقعة.

مزايا انتشار الموجة الأرضية:

• تميل هذه الموجات إلى الانحناء حول الزوايا أو العوائق أثناء الانتشار ممّا يجعلها أكثر كفاءة ولا تتأثر بالتغير في الظروف الجوية.

عيوب انتشار الموجة الأرضية:

• لا يمكن أن تنتقل الموجات عالية التردد لأنّ فقدان الطاقة يكون أكثر بسبب امتصاص الطاقة في الغلاف الجوي للأرض.

• تُستخدم الموجة الأرضية لتغطية النطاقات القصيرة وتتضمن أيضاً توهين الموجات لأنّها تتفاعل مع التيارات الدوامة التي ينتجها سطح الأرض.

تطبيقات انتشار الموجة الأرضية:

• يمكن استخدامها للاتصال أحادي الاتجاه من الجيش إلى الغواصات المغمورة لأنهّا تخترق مياه البحر بعمق كبير.

• يمكن إجراء البث (AM وFM) والتلفاز بمساعدة الموجات الأرضية.

ما هي اتصالات تشتت النيازك – meteor burst communications؟

اتصالات تشتت النيازك (meteor burst communications): هي شكل متخصص من أشكال الانتشار يمكن استخدامه بنجاح للاتصالات الراديوية عبر مسارات تمتد حتى (1500 أو 2000 كم)، حيث يوفر انتثار النيازك أو رشقات النيازك شكلاً من أشكال الانتشار الراديوي يمكن استخدامه في حالة عدم توفر أي شكل آخر من أشكال الانتشار الراديوي، بينما يجب إرسال البيانات على دفعات وقد يكون هناك تأخيرات فإنّها توفر شكلاً مفيداً من الاتصالات غير الآنية التي يمكن استخدامها في العديد من الظروف.

أساسيات اتصالات تشتت النيازك:

تعتمد اتصالات النيازك أو انفجار النيازك على حقيقة أنّ النيازك تدخل الغلاف الجوي للأرض باستمرار، وأثناء ذلك يحترقون تاركين وراءهم أثراً من التأين حيث يمكن استخدام هذه المسارات التي تحدث عادةً على ارتفاعات تتراوح بين حوالي (85 و120 كم) لعكس الإشارات الراديوية، ونظراً لحقيقة أنّ مسارات التأين التي خلفتها النيازك صغيرة، فإنّها تنعكس كميات دقيقة فقط من الإشارة وهذا يعني أنّ القوى العالية المقترنة بمستقبلات حساسة ضرورية في كثير من الأحيان.

يستخدم انتشار النيازك حقيقة أنّ أعداداً كبيرة من النيازك تدخل الغلاف الجوي للأرض حيث تشير التقديرات إلى أنّ حوالي (10^12 نيزك) تدخل الغلاف الجوي كل يوم ويبلغ وزنها الإجمالي حوالي (10^6 جرام) حيث إنّ الغالبية العظمى من هذه الشهب صغيرة الحجم وعادةً ما تكون بحجم حبة الرمل فقط.

وجد أنّ عدد النيازك التي تدخل الغلاف الجوي يتناسب عكسياً مع حجمها، ولتقليل الحجم بمقدار عشرة أضعاف هناك زيادة بمقدار عشرة أضعاف في العدد الذي يدخل الغلاف الجوي خلال فترة زمنية معينة، كما يمكن أن نرى أنّ القليل جداً منها يدخل الغلاف الجوي، وعلى الرغم من أنّ معظمها يحترق في الغلاف الجوي العلوي، إلّا أنّ هناك القليل جداً منها كبير بما يكفي للبقاء على قيد الحياة عند دخول الغلاف الجوي والوصول إلى الأرض.

تطبيقات الاتصالات انفجار النيزك:

تُستخدم اتصالات انتثار النيازك أو رشقات النيازك لعدد من التطبيقات على ترددات تتراوح عادةً بين حوالي (40 و150 ميجاهرتز) حيث يتم استخدامها بشكل احترافي لعدد من تطبيقات نقل البيانات، لا سيما عند نقل البيانات من مواقع بعيدة غير مأهولة إلى قاعدة باستخدام ارتباط اتصالات لاسلكية.

في الوقت الحاضر باستخدام أنظمة يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر يمكن لهذا الشكل من الاتصالات اللاسلكية أن يوفر بديلاً فعالاً للوسائل الأخرى وخاصةً حيث قد يلزم استخدام الأقمار الصناعية بسبب التكلفة، أمّا في تطبيقات أخرى تستخدم الموجات الراديوية انتثار النيازك كشكل من أشكال انتشار الإشارات الراديوية (VHF) لمسافات طويلة.

نظام اتصالات انفجار النيزك:

إنّ مسارات التأين التي خلفتها النيازك قصيرة العمر وبالتالي يجب أن تكون الاتصالات المستخدمة قادرة على اكتشاف وجود مسار وإرسال بيانات عالية السرعة أثناء وجود مسار الراديو بين المرسل والمستقبل حيث يعمل نظام اتصالات مبعثر النيزك النموذجي أو نظام اتصالات رشقات النيزك في عدد من المراحل، كما يرسل جهاز الإرسال أو المحطة الرئيسية إشارة مسبار يتم ترميز هذا عادةً لضمان أنّ الاتصالات آمنة وغير مشوهة.

يظهر مسار النيزك في مرحلة ما ممّا يتيح انعكاس إشارة المسبار المرسلة بحيث يتم استقبالها من قبل المحطة البعيدة، وعندما يحدث هذا تقوم المحطة البعيدة بفك تشفير الإشارة وتقوم بدورها بإرسال إشارة مشفرة إلى المحطة ثم يتم فحص هذه الإشارة بدوره من قبل المحطة.

بمجرد التحقق من الارتباط، يمكن تبادل البيانات في أي من الاتجاهين أو كلاهما حيث يتم إرسال البيانات بسرعة عالية ومن خلال عمليات التحقق من الأخطاء المستمرة، حيث سيتمكن الرابط فقط من دعم الاتصالات لبضعة أعشار من الثانية، وبعد هذه النقطة سيقلل انتشار درب النيزك من كثافة الأيونات إلى نقطة لا تعكس فيها الإشارة مرة أخرى وسيتم فقد الارتباط، أمّا عند فقدان الارتباط تبدأ المحطة الرئيسية في إرسال إشارة مسبارها المشفرة بحثاً عن مسار النيزك التالي الذي سيكون قادراً على دعم الاتصالات.

على الرغم من أنّ المدى الأقصى الطبيعي يبلغ حوالي (1500 كم) إلّا أنّه يمكن تنفيذ نظام الترحيل للنطاقات الممتدة، كما يمكن لمحطة في منتصف الطريق تقريباً بين نقطتي النهاية أن تعمل في مخزن ووضع إعادة توجيه وتخزين البيانات المستلمة وإعادة توجيهها عند توفر الممرات، حيث أنّ الوقت المستغرق لإرسال البيانات عبر الرابط العام سيزداد ولكن بالنسبة لمعظم الأنظمة التي قد تنظر في اتصالات انفجارات النيزك، لا ينبغي أن تكون هذه مشكلة.

راديو هامس واتصالات النيازك المبعثرة:

يستخدم راديو هامز انتشار النيازك كوسيلة للانتشار، وغالباً ما يتم ترتيب جهات الاتصال مسبقاً في وقت وتواتر محددين، أمّا عندما يتم التنبؤ بزخات النيازك يتم استخدام ترددات اتصال خاصة وعادةً ما يتم استخدام هوائي توجيهي عالي الكسب لإتاحة نسبة إشارة إلى ضوضاء كافية.

غالباً ما يتم استخدام عمليات إرسال شفرة مورس عالية السرعة أو تتوفر الآن أوضاع بيانات أخرى، حيث يتيح استخدام نثر النيازك إمكانية الاتصال الراديوي بنطاقات (VHF) في حالة عدم توفر أشكال أخرى من الاتصالات أو الانتشار.